带执行装置的压气机系统建模及仿真

针对压气机主动稳定控制对模型的要求,以Moore-Greitzer模型为基础,首先将模型进行空间离散化,用平均分布在压气机周向环面的离散位置点来描述流量扰动,建立了反映压气机周向动态特性的多维状态空间模型;其次以喷气装置作为主动稳定控制系统的执行装置,通过分析加入喷气装置后对流动区域产生的质量和动量影响,同时考虑气流从喷气装置出口到压气机起始平面存在的时间滞后,建立了带执行装置的压气机系统动态模型.以某压气机为例,对压气机失速行为及喷气状态下对失速的抑制作用进行仿真,结果表明:所建立的模型可以反映压气机旋转失速动态过程,通过控制喷气流量能拓展压气机的稳定工作范围,有效抑制压气机失速,模型可用于压气机主动稳定控制系统分析与设计.      

压气机失速与喘振动态模型与仿真

建立失速与喘振动态数学模型是压气机主动稳定控制的基础。针对Moore-Greitzer不可压缩压气机模型无法描述失速时失速团沿压气机周向旋转特性的不足,以该模型为基础,在压气机周向环面位置进行模型空间离散化,采用空间傅里叶模态重构压气机局部流量、压升、转子与静子的动静态损失,建立了以流量、压升及损失为状态变量的多维状态空间方程形式分布式压气机模型。理论分析及仿真表明,所建模型既可实现稳态、失速、喘振工况下的压气机外部特性计算,也可模拟失速与喘振状态下压气机内部沿周向的流量及压力变化,实现失速与喘振动态特性仿真。     

基于非定常喷气的压气机模型及模态控制

以定常喷气下的多维压气机系统模型为基础,考虑引入非定常喷气带来的质量和动量效应,建立了非定常喷气下的多维压气机系统模型;分析了压气机主动稳定模态控制机理,并在上述模型基础上设计了非定常喷气下的模态控制律。以某压气机为例,在失速工况下,分别进行无喷气开环性能和非定常喷气下模态控制仿真。结果表明:与定常喷气模态控制相比,采用非定常喷气进行模态控制,流量仅为定常喷气的57%~80%,即可达到相同的控制效果,可有效减少喷气控制的流量,并且前4阶模态控制可以扩展压气机稳定工作范围达2.34%;控制模态越多,扩稳范围越大。      

基于李亚普诺夫稳定性理论的压气机失速主动控制方法

针对压气机主动稳定控制方法中模态控制需要大量传感器及高频执行装置的不足,以喷气装置作为失速控制的执行机构,基于李亚普诺夫稳定性理论,利用回溯法设计了采用周向同步喷气的压气机预失速和过失速阶段的失速控制算法。理论分析和仿真结果表明,采用该方法,在预失速阶段,经过约1.1s持续喷气后,扰动的各阶模态的幅值均趋于0,各阶模态的相位均趋于恒定;在过失速阶段,持续约0.1s的喷气控制后,扰动的各阶模态被完全抑制,其各阶幅值趋于0,各阶模态相位趋于恒定;实现了对预失速和过失速的有效控制。由于以平均流量作为反馈输入,该方法只需安装少量传感器,且喷气装置的作动频率不高于50Hz,远低于模态控制方法。此外,采用同步喷气,也降低了执行机构的复杂性。     

组合压气机旋转失速特征的小波分析

采用高频响动态压力探针测量了小流量轴流/离心组合压气机的旋转失速和喘振,并采用基于Morlet小波时频分析和小波系数奇异分解的方法分析了压气机失速信号.研究结果表明:稳定工况下,频率分量较多、幅值较小.失速工况下,特征频率能量较大、且成倍频关系.在该组合压气机的失稳过程中,并没有引起大幅度的压力脉动.压气机光滑地从失速前出现的模态波过渡到完全失速.周向存在2个失速团,失速团传播速度约为44.8%~45.9%转速.      

压气机端壁自适应流通延迟失速的数值分析

端壁自适应流通方式是轴流压气机主动控制失速方法的有效措施之一,即在机匣上结合喷气与引气的方式来延迟压气机的失速,其特点是自适应流通的喷气或吹气量将随压气机的工况自我调整。采用数值模拟方法研究了端壁自适应流通方式对某轴流压气机气动性能的影响,数值计算结果表明,端壁自适应流通方式能有效地延迟失速并略微提高压气机的效率,通过详细地分析端壁自适应流通方式对压气机顶部区域流场结构的影响,揭示了其改善压气机性能的机理。     

紧连阀轴流压气机变转速过失速瞬态模型

为了给各种压气机喘振主动控制器提供验证平台,提出了一个新的旋转失速及喘振模型.该模型在Moore-Greitzer轴流压气机过失速瞬态模型的基础上,考虑了转子动态及旋转失速高阶谐波对压气机气动稳定性的影响,并且在模型中增加了紧连阀作为执行机构.仿真结果表明:随着压气机转速的增加,压气机的失稳行为由旋转失速转为喘振;压气机转速的变化作为系统内部扰动,可能使压气机在节流阀开度较大时便进入气动失稳状态;虽然压气机初始扰动仅含有1阶谐波,但随着旋转失速的发展,高阶谐波强度不断增长而变得不可忽略.      

亚声速轴流压气机失速监测方法试验

为了研究轴流压气机失速先兆信号监测的有效算法,对亚声速轴流压气机试验台的孤立转子在不同转速下,从稳定工况到失速工况叶顶不同轴向位置进行了动态压力信号测量试验,采用自相关分析和方差分析算法对试验数据进行了对比分析。结果表明,该压气机为突尖型失速,在叶顶前缘附近能明显感受到失速先兆信号,自相关分析监测到失速先兆信号的时间明显早于方差分析,可更有效的达到失速预警的作用。     

压气机失稳过程的幅值与频率理论研究

在压气机主动稳定控制与健康监控时,为了准确描述失速和喘振的幅值与频率特性,以压气机系统模型为基础,从动力学的角度,基于失速团的构成,应用模态波理论分析压气机失速行为;基于压气机喘振的一维振荡特性,应用强非线性理论分析喘振现象;通过分析推导并给出压气机失稳过程的幅值与频率理论描述。数值仿真表明:失速与喘振的幅值与频率是压气机特性、压气机结构参数与气流参数的函数,在失速过程中,模态阶数越低,其幅值越先出现并趋于稳定;扰动模态阶数越高,旋转频率越大;在喘振过程中,压气机出口节流系数越小,喘振幅值与振荡频率越大。     

低速轴流压气机旋转失速边界的模型描述

从低速轴流压气机完整旋转失速过程所具有的突变性和迟滞性等典型动力学特征出发,通过对其拓扑性质的对比分析,证明压气机旋转失速与突变理论尖点突变模型在拓扑结构上具有相似性;以拓扑不变性定理为基础,通过发展有效的拓扑映射方法,建立了尖点突变模型的突变点集与压气机旋转失速突变点集之间的拓扑映射关系.在两台低速轴流压气机上的模型实际应用效果表明:尖点突变模型能够定性地描述具有突变型失速特点的低速压气机不同转速工况下完整旋转失速过程的突变性、迟滞性以及分岔特性,通过该发展的拓扑映射方法,可以将实验获取的失速点和恢复点完全映射到模型线上,这表明尖点突变模型能较为准确地描述旋转失速的失速边界.      

亚声速轴流压气机叶顶喷气设计规律的试验研究

为了探索叶顶喷气在亚声速轴流压气机中的设计规律,试验研究了喷气量、喷嘴喉部高度、周向覆盖比例、喷气位置、喷嘴数目、喷嘴分布形式对压气机失速裕度的影响规律,分析了叶顶喷气的扩稳机理以及对压气机失速特性的影响,总结了叶顶喷气在亚声速和跨声速压气机中作用规律的异同。研究结果表明,叶顶喷气没有改变压气机的失速特性,其扩稳机理主要在于对叶顶堵塞的有效抑制,通道堵塞对叶顶喷气的非定常响应是离散叶顶喷气有效扩稳的重要原因。当喷嘴处于堵塞状态时扩稳效果达到最大,利用0.66%的喷气量可将压气机的失速裕度提升15%。对于压气机失速裕度的影响,喷气量、喷嘴喉部高度、喷气周向覆盖比例间存在交互作用,喷气位置、喷嘴周向分布形式和进气畸变对喷气扩稳效果的影响均不大。当压气机的失速均是由叶顶泄漏涡诱发的突尖失速时,叶顶喷气在亚声速压气机中的设计方法可用于指导跨声速压气机叶顶喷气的设计。     

Hysteresis behaviors of compressor rotating stall with cusp catastrophic model

Rotating stall is a complex nonlinear dynamic phenomenon which is always characterized by catastrophe and hysteresis in high aerodynamic-loading compressor. Exploring the key contributing factors and characteristic rules of hysteresis is very important for compressor design and flow instability control. In this paper, a novel model method is proposed to analyze the hysteresis behaviors to extend the understanding of compressor rotating stall. The equilibrium states of compressor system under different conditions are first described based on Moore-Greitzer model. Then, through assessing the stability of the equilibrium points by Liapunov's theorem, the ratio of shutoff head to compressor characteristic semi-height is found to affect the stall hysteresis: the size of hysteresis loop will gradually decrease, even disappear with the increase of the ratio. Combing the effects of both the ratio and throttle coefficient, the hysteresis behaviors of compressor stall under multi-parameters can be found to be consistent with the topological properties of cusp catastrophic model by Thom’s catastrophe theory. Finally, according to topological invariant rules, from the perspective of potential function, the equilibrium surface equation of compressor system is developed by standard cusp catastrophic model to describe the various hysteresis behaviors of compressor rotating stall along different control routes.     

微喷气对压气机稳定性影响的实验

在低速双级轴流压气机上开展了一系列不同喷射系统布局、射流参数的实验研究,并探讨了微喷气扩大压气机稳定裕度的原因.结果表明:当布局在压气机进口的喷嘴周向均布且不小于4个的时候,压气机稳定裕度增量主要受到每个喷嘴的出口动量的影响;微喷气扩稳的机理是从频率和压力幅值两个方面抑制模态波的发展,越接近喷气流,模态波被抑制的程度越大,一旦喷气流无法抑制模态波的发展时,压气机就会进入失速状态.      

近失速压力扰动的试验

采取在静子叶片表面埋入微型压力传感器的方法,对叶尖、叶中和叶根3个截面上的动态压力进行测量,实验研究了压气机近失速的流场特性。实验结果表明:压气机失速前,存在两个特征频率的压力扰动;这两个特征扰动的扰动频率与压气机转速成正比,与转子转动频率的相对频率分别等于5和8;相对频率为5的特征扰动强度随着流量系数减少而增大,在失速点达到最大,而相对频率为8的特征扰动随着流量系数减少先增大,在失速点突然下降;选择相对频率为5的特征扰动作为压气机失稳预警信号,设定某一λ值作为报警的阈值,可以有效防止压气机失速。      

小尺寸多级轴流压气机喘振现象试验

针对某小尺寸多级轴流压气机,在首级转子叶顶沿弦向布置Kulite动态压力传感器以及在后面级插入高频压力探针,通过动态测量试验,研究不同转速下多级轴流压气机喘振现象.结果表明:在中高转速下,该压气机深度喘振是由模态波扰动发展成旋转失速,从而引起流动堵塞,最终导致流动崩溃所造成的;在低转速下,压气机轻度的经典喘振由模态波直接引起的,在喘振周期内一直伴随有旋转失速的产生、发展和消失.      

轴流压气机失速初始扰动形式的实验研究

对一单级轴流压气机的旋转失速发展过程进行了实验研究。应用SFC分析方法识别出失速的初始扰动有旋转波和小失速团两种形式,并且发现,压气机结构型式对失速的初始扰动形式有很大的影响。单级压气机与弧立转子相比,其失速初始扰动形式更为明显地表现为旋转波扰动。      

Experimental investigation of characteristics of instability evolution in a centrifugal compressor

The stable range of operation for the centrifugal compressor significantly influences the dynamic, economic, and environment-friendly characteristics of power systems. A deep understanding of the characteristics of instability evolution is necessary to improve the compressor stability. A centrifugal compressor equipped with a vaneless diffuser is experimentally investigated using highresponse static-pressure measurements. The results obtained indicate that three typical rotationalspeed ranges ex...